Rappresentazioni strutturate

della conoscenza

Reti semantiche e frame

M. Simi, 2015-2016

Ingegneria della conoscenza

Tra i vari problemi di rappresentazione (AIMA cap. 12)

le ontologie e le categorie

oggetti fisici e sostanze

azioni e cambiamento, eventi, tempo

conoscenze, credenze … attitudini mentali

il ragionamento non monotono

Il ragionamento incerto, probabilistico ...

Ne vediamo due:

Il ragionamento su categorie (reti semantiche, frame … logiche terminologiche o descrittive)

Il ragionamento probabilistico (nella II parte)

Ontologia generale o superiore

Approccio psicologico-linguistico alla R.C.

L’ approccio logico: per formalizzare il ragionamento valido

nato per la matematica e poi esteso al ragionamento di "senso comune".

L’ approccio cognitivo-linguistico: pone l'enfasi sui meccanismi per l'acquisizione, strutturazione ed uso della conoscenza

Forti sinergie con:

Studi di psicologia cognitiva

Studi sul linguaggio naturale

Rappresentazioni strutturate (a grafo)

Precursore: grafi esistenziali di Charles Pierce (1909)

In logica i simboli sono manipolati sintatticamente a

prescindere dal loro significato

x Fragola(x) Rossa(x)

La verità di una formula dipende unicamente dalla verità

delle sue sotto-formule e dall’ interpretazione che diamo ai

simboli primitivi .

ma l’uso dei simboli (e dei concetti che rappresentano) è

arbitrario e indipendente dal simbolo usato

Teorie associazioniste Le teorie associazioniste si occupano delle relazioni

tra simboli e dal significato che scaturisce da tali

associazioni

Organizzazione gerarchica dei concetti:

esperimenti (Collins, Quillian, 1969) Domande:

1. “Un canarino è un uccello?”

2. “Un canarino vola?”

3. “Un canarino respira?

Tempi di risposta:

T1 < T2 < T3

Eccezioni

“Uno struzzo vola?”

Risposta immediata

Organizzazione gerarchica dei concetti:

interpretazione

Le proprietà sono "attaccate"

al concetto più generale a cui

si applicano

Trattamento eccezioni

Le eccezioni sono memorizzate

direttamente con l'oggetto

Successo della strutturazione

gerarchica dei concetti in

informatica ed ingegneria del

SW

Definizione di rete semantica

Le reti semantiche sono una grande famiglia di schemi di rappresentazione "a grafo".

Una rete semantica è un grafo in cui:

I nodi, etichettati, corrispondono a concetti (individui o classi)

Gli archi, etichettati e orientati, a relazioni binarie tra concetti (dette anche ruoli).

Due particolari relazioni “primitive” sono sempre presenti:

IS, relazione di sotto-classe ()

IS-A, AKA (a-kind-of) relazione di appartenenza ()

Un esempio di rete semantica

Un esempio di rete

Ereditarietà nelle reti semantiche

Ereditarietà come una particolare inferenza legata alla transitività di IS

Facilmente implementabile come link traversal

Ereditarietà multipla

Person

Parent

Mother

is

is

hasChild

Relazioni n-arie (n > 2)

Da(John, Mary, book)

“John da un libro a Mary”

Questa tecnica viene

chiamata

‘rappresentazione tramite

struttura di casi’ (case

structure representation)

Eventi-dare

E1

book-4 John Mary

hasAgent hasObject

hasRecipient

Rappresentazione per casi: esempio

Espressività delle reti semantiche Limitato potere espressivo: , , ... non

direttamente esprimibili

Nodi proposizione nei grafi concettuali di Sowa

Es. “Non ci sono cani rosa”

y (cane(x)colore(x,y)rosa(y))

Espressività delle reti semantiche Reti partizionate in K-net [Fikes-Hendrix]

“Tutte le Mustang sono costruite da Ford”

x xMustangs

y yCostruzioni Oggetto(y, x) Agente(y, Ford)

Mancanza di “semantica” delle reti sematiche

Woods [75] e altri mettono in luce ambiguità e incongruenze nell’uso di nodi e archi, ... ovvero la mancanza di “semantica” delle reti semantiche

La semantica talvolta non è chiara o è ricavabile solo dai programmi che usano le reti

Esempi di confusione

Stessa relazione per appartenenza e per sotto-insieme

Istanza canonica o classe di oggetti?

Significato diverso delle relazioni (tra classi, tra classi e oggetti, tra oggetti)

Reti semantiche e logica

Le reti semantiche una notazione conveniente

per una parte del FOL, ma pur sempre

riconducibili ad un formalismo logico

Anche se non del tutto …

Traduzione in logica NOTA: In maiuscolo le classi, in

minuscolo gli individui

x A(x) B(x)

B(a)

x x A R(x, b)

x x A y yB R(x, y)

A B IS

B

IS-A a

R A b

R A B

Un esempio di traduzione x Mammifero(x) Animale(x)

x Mammifero(x) HaNZampe(x, 4)

x Elefante(x) Mammifero(x)

x Elefante(x) HaColore(x, grigio)

Elefante(Clyde)

È possibile dedurre:

Animale(Clyde)

Mammifero(Clyde)

HaNZampe(Clyde, 4)

HaColore(Clyde, grigio)

Ereditarietà corrisponde a E, MP

e transitività di

Mammifero

Elefante

Clyde

Animale

4

grigio

HaColore

HaNZampe

IS

IS

IS-A

… e le eccezioni?

x Mammifero(x) NZampe(x, 4)

x Pipistrello(x) Mammifero(x)

x Pipistrello(x) NZampe(x, 2)

Pipistrello(Pat)

Si deduce:

NZampe(Pat, 2)

… ma anche

NZampe(Pat, 4)

Modellare ragionamento default

richiede logiche non monotone

Mammifero

n-zampe Pipistrello 2

Pat

n-zampe 4

IS

IS-A

WordNet [Miller]

Grossa risorsa lessicale organizzata a rete

semantica (122.000 termini)

i nomi, i verbi, gli aggettivi, gli avverbi sono

organizzati in insiemi di sinonimi (synset) che

rappresentano un concetto (117.000 synset);

alla parola è tipicamente associato un insieme

di synset: i sensi della parola

http://wordnet.princeton.edu/

WordNet: la struttura

Cardinal Cardinal,

c. grosbeak

Cardinal,

carmine ...

Cardinal,

c. number

4 Synset per ‘cardinal’

bishop

cleric

number

measure

red finch

colour oscine

bird person

… … … …

organism

…

Hyperonims

Has-part

Member-of

feather

wing

beak

Sacred college

WordNet: esempi di uso

Espansione di interrogazioni con sinonimi o iperonimi nella ricerca basata su parole chiave (bisogna in primo luogo identificare il senso giusto)

Distanza semantica tra parole

Categoria semantica del termine o supersense:

persona, organizzazione, luogo, misura …

I “frame” La conoscenza è organizzata in strutture mentali

complesse, i frame [Minsky, 1974].

Essenza della teoria: “Quando si incontra una

situazione nuova, o imprevista, viene evocata dalla

memoria una struttura mentale complessa, la quale,

mediante un processo di istanziazione, viene adattata

alla situazione specifica e fornisce una chiave di

interpretazione per essa”

Struttura dati per rappresentare "stereotipi", ruolo

fondamentale dei default

I “frame”come struttura dati

Condizioni per l'attivazione

Collezione di coppie slot-filler (attributo-valore)

I filler possono avere diversi aspetti (facet o faccette)

valore specifico

restrizione sul valore, riferimento ad altro frame

valore default

una procedura da attivare quando lo slot riceve un valore (if-added) o

è richiesto il valore dello slot (if -needed) demoni o allegati

procedurali

Slot particolari sono IS e IS-A per organizzazione gerarchica

dei frame in sistemi di frame

Esempio: una stanza d’albergo

I frame e la logica

I concetti naturali, a differenza dei concetti

matematici, raramente ammettono definizioni del tipo

necessario e sufficiente

Quadrilatero (x) Poligono(x) N-lati(x,4)

Uccello(x) Bipede(x) Pennuto(x) Vola(x) … ?

Definizioni di prototipi Quello che caratterizza tipicamente un concetto …

Condizioni necessarie

Uccello(x) Vertebrato(x)

Uccello(x) Bipede (x)

Condizioni tipicamente necessarie (default)

Uccello(x) Tip Vola(x)

Uccello(x) Tip Pennuto(x)

Condizioni sufficienti (criteriali)

Canarino(x) Uccello(x)

Struzzo(x) Uccello(x)

Condizioni tipicamente sufficienti

Vola(x) Cinguetta(x) Tip Uccello(x)

Pennuto(x) Tip Uccello(x)

Anche il ragionamento con prototipi è fonte di non monotonia

FrameNet [Lowe, Baker, Fillmore]

Risorsa costituita da collezioni di frasi annotate sintatticamente

e semanticamente, organizzata a frame.

Semantica basata su frame: il significato delle parole

scaturisce dal ruolo che esse hanno nella struttura concettuale

delle frasi

La conoscenza è strutturata in 16 domini generali: time, space,

communications, cognition, health …

6000 elementi lessicali; 130.000 frasi annotate

http://www.icsi.berkeley.edu/~framenet/

FrameNet: un esempio

FRAME: communication

FRAME DESCRIPTION: A person (COMMUNICATOR) produces some linguistic object (MESSAGE) while addressing some other person (ADDRESSEE) on some topic (TOPIC)

FE: COMMUNICATOR …

FE: MESSAGE …

FE: ADDRESSEE …

FE: TOPIC ..

FrameNet: un esempio (cnt.)

[Pat] communicated [the message] [to me].

[Management] should develop and communicate [to all employees] [a vision of where the organization is going].

Videotapes of school activities are useful means of communicating [about work undertaken at school].

I linguaggi a “frame”e le “shell”

Potenti perché integrano conoscenza di tipo procedurale. Un esempio: KEE (Fikes-Kehler, 85)

Per la costruzione di sistemi esperti si usano degli strumenti (detti “gusci” – shell – perché sono sistemi esperti “svuotati” della conoscenza del dominio)

Architettura tipica di un sistema “ibrido”:

Linguaggio a frame (o linguaggio ad oggetti)

Linguaggio a regole (o linguaggio di programmazione logica)